JP5666127B2 - シリンダーライナーおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はシリンダーライナーおよびその製造方法に係り、より詳しくは、シリンダーライナーの外周面全体に複数の彫り込み溝を形成することにより、シリンダーブロックとシリンダーライナーとの接合強度および熱伝導性を向上できることは勿論、エンジンの全体大きさ軽量化を図ることができるシリンダーライナーおよびその製造方法に関する。

一般的にシリンダーは自動車用内燃機関に用いられるものであって、ピストンの往復運動をガイドする中空形状の部品をいう。また、このような往復ピストン式内燃機関のシリンダーの他に、往復式圧縮機のシリンダーや油圧、水圧、空気圧機械のシリンダーなどがある。
往復式内燃機関の場合はシリンダーを気筒ともいい、１個のシリンダーからなるものを単シリンダー機関や単気筒機関または単筒機関という。
また、マルチシリンダー機関は、シリンダーの配列形式により、直列型、Ｖ字型、対向型などに区分される。
ここで、マルチシリンダー機関の場合、幾つかのシリンダーを一つのブロックに鋳造して一体型構造にしたものがあり、これをシリンダーブロックという。

また、このような構造物を直接加工したピストンのガイド往復運動面の剛性と耐久性が不足する場合、比較的に薄い円筒状管を挿入し、その内面に沿ってピストンが往復運動するようにした往復運動面を構成する部品をシリンダーライナーという。
このようなシリンダーライナーは、エンジンの排気量に応じ、金型内に該当個数を配列した後、一体鋳造方式によりブロック材の溶融金属を注入してシリンダーブロックと一体型に製作する。
ここで、シリンダーブロック内に配列された複数のシリンダーライナーのうちの互いに隣接する１対のシリンダーライナーの間の間隔をボアギャップという。
最近では、シリンダーライナーとシリンダーブロックとの間の接合強度を高めると同時に、シリンダーライナー間のボアギャップを極力減らして、エンジンの軽量化および小型化を図る努力がなされている。
以下に、従来のシリンダーライナーについて概略説明する。

図１に示すように、従来のシリンダーライナーは、その製造過程、特に金型に離型剤を塗布する過程において、離型剤の表面に凹溝を形成した後、離型剤の表面にシリンダーライナー用溶融金属を注入していた。注入された溶融金属は離型剤の表面を覆うと同時に凹溝にも溶融金属が入り込み、この状態で所定時間が経過した後に溶融金属が硬化すれば、シリンダーライナー母体が完成する。
次に、シリンダーライナー母体を金型から引き出し、その外周面の離型剤を除去すれば、外周面全体に所定の突出部５ａが形成されたシリンダーライナー５の製作が完了する。
このようなシリンダーライナー５は、再びシリンダーブロック製造用金型内に投入後、一体鋳造方式により、金型内にブロック材の溶融金属を注入し、最終的にシリンダーライナー一体型シリンダーブロックの製造が完成する。

ここで、シリンダーブロックと一体型に鋳造されたシリンダーライナー５は、各々、その外周面の突出部５ａによってシリンダーブロックとの接合力に優れた状態を維持する。
しかし、このような従来技術のシリンダーライナーは、シリンダーライナーの外周面に形成されている突出部によってシリンダーブロックとの接合状態は良好になるが、その反面、シリンダーライナーそのものの厚さが厚くなり、それにより、ボアギャップも大きくなるため、エンジンの大型化および重量化に繋がる問題点があった。
また、シリンダーライナー外表面の突出部により、金型内にブロック材の溶融金属を注入する時、ブロック材がシリンダーライナー外周面の突出部によってその流れが妨げられ、全般的にブロック材の流動性が低下してシリンダーブロックの製造時間が増加し、そのために長時間硬化による品質不良をもたらす問題点もあった。

特開平０７−３１４１１８号公報

本発明は、前記のような問題点を解決するためになされたものであり、シリンダーライナーの外周面全体に複数の彫り込み溝を形成することにより、シリンダーブロック成形時にシリンダーブロックとシリンダーライナーとの間の接合強度および熱伝導性を向上させることは勿論、シリンダーライナーそのものの厚さを最大限減らすことができ、それにより、ボアギャップも最大限減らすことができ、エンジンの全体大きさの最小化および軽量化を図ることができるシリンダーライナーおよびその製造方法を提供することをその目的とする。
また、本発明は、シリンダーライナー間へのブロック材の流れの妨げ要因を取り除いてブロック材の流動性を良くすることにより、シリンダーブロックの製造時間を大きく短縮させると同時に、迅速なブロック材の硬化を通じて製品の不良率を最小にすることができるシリンダーライナーおよびその製造方法の提供を他の目的とする。

前記した目的を達成するために、本発明のシリンダーライナーは、一体鋳造を利用してシリンダーブロックを製作する時に鋳造金属によって囲まれる外周面を備えたシリンダーライナーであって、前記シリンダーライナーの外表面には、前記鋳造金属と前記シリンダーライナー外表面との間の結合力を強化させるための複数の彫り込み溝が前記外表面全体に形成されることを特徴とする。

前記彫り込み溝の外表面を覆うように結合され熱伝導性を向上させる金属層をさらに含むことを特徴とする。

前記彫り込み溝は、前記シリンダーライナーの外表面の内側に窪んで彫り込み形成され、前記彫り込み溝は、各々、上部は広く、下部は狭くなる上広下狭のＶ字形状に形成され、前記シリンダーライナー外表面の２０ｍｍ×２０ｍｍ面積当たり３０〜３００個形成され、上端部の直径が０．７±０．２ｍｍであり、深さが０．４±０．２ｍｍであることを特徴とする。

前記金属層は、複数のワイヤー材料を用いた電気アーク溶射によって形成されることを特徴とする。

前記金属層は、前記シリンダーブロックと同一の材質からなるか、またはアルミニウム成分またはアルミニウム合金成分からなることを特徴とする。

前記金属層のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対してケイ素１１〜１３重量部が含まれることを特徴とする。

前記金属層のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対し、銅０．００１〜０．３重量部または鉄０．００１〜０．８重量部またはマグネシウム０．００１〜０．１重量部またはマンガン０．００１〜０．１５重量部または亜鉛０．００１〜０．２重量部またはベリリウム０．００１〜０．００８重量部のうちのいずれか一つまたは二つ以上がさらに含まれることを特徴とする。

前記金属層の厚さは５０〜２００μｍであることを特徴とする。

また、本発明は、回転する金型の内周面に離型剤をコーティングして所定時間乾燥させるステップ、前記離型剤の表面に彫り込み成形のために彫り込み溝形成材を散布するステップ、前記彫り込み溝形成材が散布された前記離型剤の表面に溶融金属を注入して硬化させた後、シリンダーライナー母体を形成するステップ、および、前記シリンダーライナー母体を前記金型から引き出し、前記シリンダーライナー母体の外表面を覆う離型剤および彫り込み溝形成材を除去した後、溶射のために複数の彫り込み溝が形成された前記シリンダーライナー外表面を粗面化するステップ、を含むことを特徴とする。

前記複数の彫り込み溝が形成された前記シリンダーライナーの外表面に熱伝導性向上のために金属層を形成するステップ、をさらに含むことを特徴とする。

前記彫り込み溝は前記シリンダーライナーの外表面の内側に窪んで彫り込まれ、前記彫り込み溝は、各々、上部は広く、下部は狭くなっている上広下狭のＶ字形状を有し、前記シリンダーライナー外表面の２０ｍｍ×２０ｍｍ面積当たり３０〜３００個製造され、上端部の直径が０．７±０．２ｍｍであり、深さが０．４±０．２ｍｍになるように製造されることを特徴とする。

前記金属層は、厚さが５０〜２００μｍになるように製造されることを特徴とする。

本発明によれば、シリンダーライナーの外周面全体に対して複数の彫り込み溝を形成することにより、シリンダーブロックの成形時にシリンダーブロックとシリンダーライナーとの間の接合強度および熱伝導性を向上できることは勿論、シリンダーライナーそのものの厚さを最大限減らすことができ、それにより、ボアギャップも最小限にして、エンジンの全体大きさの最小化および軽量化を図ることができる。
また、本発明は、シリンダーライナーの間へのブロック材の流れの妨げ要因を取り除いて前記ブロック材の流動性を良くすることにより、シリンダーブロックの製造時間を大きく短縮させると同時に、迅速なブロック材の硬化を通じて製品の不良率を最小にする効果を有する。

従来技術によるシリンダーライナーの外表面に突出部が形成されていることを説明するための図である。 本発明の実施形態によるシリンダーライナーを示す斜視図である。 本発明に係るシリンダーライナーを説明するための断面図である。 本発明に係るシリンダーライナーが金型内に母体の状態であることを説明するための断面図である。 本発明に係るシリンダーライナーの製造工程を説明するための図であって、金型内に離型剤を塗布する工程である。 本発明に係るシリンダーライナーの製造工程を説明するための図であって、金型内に溶融金属を注入させる工程である。 本発明に係るシリンダーライナーの製造工程を説明するための図であって、金型内からシリンダーライナー母体を引き出す工程である。 本発明に係るシリンダーライナーの製造工程を説明するための図であって、離型剤と彫り込み溝形成材が除去されたシリンダーライナーの外表面を粗面化する工程である。 本発明に係るシリンダーライナーの製造工程を説明するための図であって、シリンダーライナーの外表面に金属層を形成する溶射工程図である。 本発明に係るシリンダーライナーを利用してシリンダーブロックを一体鋳造した状態を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照してより詳細に説明する。
本発明の実施形態によるシリンダーライナーは、図２〜図１０に示すように、内燃機関のシリンダーブロック１０に接合される。シリンダーブロック１０製造時には、シリンダーライナー２０の外表面２０ａの全体にかけて、鋳造金属（ブロック材）が注入される。鋳造金属とシリンダーライナー２０との間の結合力を強化させるための複数の彫り込み溝２１が設けられ、シリンダーブロック１０とシリンダーライナー２０との間の熱伝導性を向上させるために金属層２２が形成される構造になっている。
ここで、彫り込み溝２１は、シリンダーライナー２０の平滑な外表面２０ａを基準にシリンダーライナー２０の外表面２０ａの内側に窪んで彫り込まれ、各々、上部は広く、下部は狭くなるＶ字型上広下狭の構造になっている。

一方、本発明では、上広下狭構造のＶ字型彫り込み溝２１の他にも、この構造とは相反する構造である、上部は狭く、下部は広くなる上狭下広構造の彫り込み溝など、シリンダーブロック１０とシリンダーライナー２０との間の接合強度を向上させる彫り込み溝の構造を多様にすることができる。
また、彫り込み溝２１は、シリンダーライナー２０の外表面２０ａに２０ｍｍ×２０ｍｍ当たり３０〜３００個の割合で彫り込み形成され、この彫り込み溝２１は、各々、その上端部の直径は０．７±０．２ｍｍ、深さは０．４±０．２ｍｍであることが好ましい。
また、金属層２２は複数のワイヤー材料を用いた電気アーク溶射によって形成される。

ここで、アーク溶射は、一般的な溶射法を適用することができる。図９に示す通り溶射機１１０のワイヤーガイド１１１にアルミニウム合金成分の２本のワイヤー１２０がフィーディングローラ１３０を介して供給される。これと同時に２本のワイヤー１２０を電極にして電源を印加し、ワイヤー１２０の先端部からアークを発生させて溶融する。この溶融金属をエアコンプレッサ１４０により前方へ高圧噴射させ、該シリンダーライナー２０の外表面２０ａに所定の金属層２２が形成される。

金属層２２はアルミニウム合金成分からなり、金属層２２のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対してケイ素１１〜１３重量部が含まれるようにする。
また、前記金属層２２のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対し、ケイ素１１〜１３重量部が含まれ、銅０．００１〜０．３重量部または鉄０．００１〜０．８重量部またはマグネシウム０．００１〜０．１重量部またはマンガン０．００１〜０．１５重量部または亜鉛０．００１〜０．２重量部またはベリリウム０．００１〜０．００８重量部のうちのいずれか一つまたは二つ以上がさらに含まれるようにすることもできる。
このようにして溶射された金属層２２の厚さは５０〜２００μｍの厚さを有するようにすることが好ましい。
ここで、金属層２２はアルミニウム合金の他にシリンダーブロック１０と同一の材質でもよく、またはアルミニウム成分からなってもよい。

次に、本発明の実施形態によるシリンダーライナーの製造方法について説明する。
先ず、図５に示すように、所定の離型剤４０を作った後、回転する金型３０の内周面に離型剤４０をコーティングして所定時間乾燥させる。
ここで、離型剤４０のコーティング作業は、金型３０が回転する間、別の離型剤コーティング機８０が回転する金型３０の内周面全体にかけて離型剤４０を塗布する。
また、金型３０の内周面にコーティング後乾燥された離型剤４０の表面に、図４のような彫り込みのための彫り込み溝形成材５０を散布して離型剤４０の表面に接着させる。
ここで、離型剤４０の接着は、金型３０の回転に応じた遠心力と離型剤４０の接着力によって接着可能となる。

次に、図４および図６に示す通り、彫り込み溝形成材５０が散布された離型剤４０の表面にシリンダーライナー用溶融金属６０を注入して所定時間硬化させた後、図７のようなシリンダーライナー母体１５を形成する。
図６の符号１５０はシリンダーライナー用溶融金属６０を注入するための溶融金属注入機である。
次いで、図７のようにシリンダーライナー母体１５を金型３０から引き出し、図８のように母体１５の外表面を覆う離型剤４０および彫り込み溝形成材５０を除去した後、溶射するためにシリンダーライナー２０の外表面を粗面機１００によって粗面化する。
そして、図９のように、溶射機１１０により、粗面化されたシリンダーライナー２０の外表面２０ａに溶射を行い、最終的に外表面に複数の彫り込み溝２１および金属層２２を有するシリンダーライナー２０を完成させる。

図８の符号９０はシリンダーライナー母体１５を金型３０から引き出すための引き出し機である。
このように完成されたシリンダーライナー２０は、このシリンダーライナー２０の平滑な外表面２０ａを基準にその内側に向かって窪んだ彫り込み溝２１が形成される。彫り込み溝２１は、各々、上部は広く、下部は狭くなるＶ字型上広下狭の構造を有し、また、シリンダーライナー２０の外表面２０ａ上に２０ｍｍ×２０ｍｍ当たり３０〜３００個が分布され、それぞれの直径は０．７±０．２ｍｍ、その深さは０．４±０．２ｍｍの彫り込み溝２１を得る。

また、彫り込み溝２１の表面には、５０〜２００μｍの厚さを有するアルミニウム合金材質の金属層２２を有する。
前記過程によって製作されたシリンダーライナー２０は、図１０に示す通り、再び、シリンダーブロック１０製造用金型（図示せず）内にエンジン排気量に合わせて複数配置した後、一体鋳造方式によってブロック材の溶融金属を注入する。ブロック材は金型内に均一に広がり、金属層２２で被覆されたシリンダーライナー２０の外表面２０ａの彫り込み溝２１に入り込むと同時に、シリンダーライナー２０の外周部全体を囲み、このような状態で所定時間硬化させ、所定形状のシリンダーブロック１０の製造が完成する。
このようにして完成されたシリンダーライナー２０一体型シリンダーブロック１０は、シリンダーブロック１０とシリンダーライナー２０との間の彫り込み溝２１によって接合強度に優れた一体型をなし、また、金属層２２によって高い熱伝導性を備えることは勿論、隣接したシリンダーブロック１０の間のボアギャップも最大限減らすことができる。

１０ ・・・シリンダーブロック
１５ ・・・シリンダーライナー母体
２０ ・・・シリンダーライナー
２０ａ ・・・外表面
２１ ・・・彫り込み溝
２２ ・・・金属層
３０ ・・・金型
４０ ・・・離型剤
５０ ・・・彫り込み溝形成材
６０ ・・・シリンダーライナー用溶融金属
８０ ・・・離型剤コーティング機
９０ ・・・引き出し機
１００ ・・・粗面機
１１０ ・・・溶射機
１２０ ・・・ワイヤー
１３０ ・・・フィーディングローラ
１４０ ・・・エアコンプレッサ
１５０ ・・・溶融金属注入機

Claims (14)

1. 一体鋳造を利用してシリンダーブロックを製作する時に鋳造金属によって囲まれる外周面を備えたシリンダーライナーであって、
   前記シリンダーライナーの外表面には、前記鋳造金属と前記シリンダーライナー外表面との間の結合力を強化させるための複数の彫り込み溝が前記外表面全体に形成され、
   前記彫り込み溝の外表面を覆うように結合された金属層をさらに含み、
   前記金属層は、前記シリンダーブロックと同一の材質からなることを特徴とするシリンダーライナー。
2. 前記彫り込み溝は、前記シリンダーライナーの外表面の内側に窪んで彫り込み形成され、前記彫り込み溝は、各々、上部は広く、下部は狭くなる上広下狭のＶ字形状に形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーライナー。
3. 前記彫り込み溝は、前記シリンダーライナー外表面の２０ｍｍ×２０ｍｍ面積当たり３０〜３００個形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーライナー。
4. 前記彫り込み溝は、上端部の幅が０．７±０．２ｍｍであり、深さが０．４±０．２ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーライナー。
5. 前記金属層は、複数のワイヤー材料を用いた電気アーク溶射によって形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーライナー。
6. 前記金属層の厚さは５０〜２００μｍであることを特徴とする請求項１に記載のシリンダーライナー。
7. 回転する金型の内周面に離型剤をコーティングして所定時間乾燥させるステップと、
   前記離型剤の塗布された回転する金型の内周面の表面に、彫り込み成形のために彫り込み溝形成材を散布し遠心力によって接着させるステップと、
   前記彫り込み溝形成材が散布され、前記離型剤の塗布された回転する金型の表面にシリンダーライナー用溶融金属を注入して硬化させた後、シリンダーライナー母体を形成するステップと、
   前記シリンダーライナー母体を前記金型から引き出し、前記シリンダーライナー母体の外表面を覆う離型剤および彫り込み溝形成材を除去した後、溶射のために複数の彫り込み溝が形成された前記シリンダーライナー外表面を粗面化するステップと、
   前記複数の彫り込み溝が形成された前記シリンダーライナーの外表面に金属層を形成するステップと、を含み、
   前記金属層は、前記シリンダーブロックと同一の材質からなるか、またはアルミニウム成分から製造されるか、またはアルミニウム合金成分から製造されることを特徴とするシリンダーライナー製造方法。
8. 前記彫り込み溝は前記シリンダーライナーの外表面の内側に窪んで彫り込まれ、前記彫り込み溝は、各々、上部は広く、下部は狭くなっている上広下狭のＶ字形状を有するように製造されることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
9. 前記彫り込み溝は、前記シリンダーライナー外表面の２０ｍｍ×２０ｍｍ面積当たり３０〜３００個製造されることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
10. 前記彫り込み溝は、上端部の幅が０．７±０．２ｍｍであり、深さが０．４±０．２ｍｍになるように製造されることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
11. 前記金属層は、複数のワイヤー材料を用いた電気アーク溶射によって形成されることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
12. 前記金属層のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対してケイ素１１〜１３重量部が含まれることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
13. 前記金属層のアルミニウム合金成分は、アルミニウム１００重量部に対し、銅０．００１〜０．３重量部または鉄０．００１〜０．８重量部またはマグネシウム０．００１〜０．１重量部またはマンガン０．００１〜０．１５重量部または亜鉛０．００１〜０．２重量部またはベリリウム０．００１〜０．００８重量部のうちのいずれか一つまたは二つ以上がさらに含まれることを特徴とする請求項１２に記載のシリンダーライナー製造方法。
14. 前記金属層は、厚さが５０〜２００μｍになるように製造されることを特徴とする請求項７に記載のシリンダーライナー製造方法。
    

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